直流直线电动机：动圈式力电动机

前面介绍的开关电磁铁和比例电磁铁可认为都是动铁式力电动机。而直流直线电动机也叫动圈式力电动机，其结构形式及作用原理和扬声器中的音频线圈相似，所以有时也叫音圈电动机。其可移动线圈行程可达几十毫米。动圈式力电动机有励磁式和永磁式两种。励磁式尺寸大，现已很少应用，而永磁式又有内磁式和外磁式之分。图6-21为内磁式力矩电动机原理图。它由永久磁铁、轭铁、动圈和弹簧组成。它是基于载流导体在磁场中受力的原理工作的。永久磁铁在气隙中产生一固定磁通，当线圈中通过直流电流时，载流导体上便受到一电磁作用力，其方向按左手定则判定，大小为

F=πDNBi=K_ti （6-38）

式中 K_t——力电动机的力常数，K_t=πDNB；

D——动圈的平均直径；

N——动圈的线匝数；

B——气隙的磁感应强度；

i——控制电流。

可见，作用力的大小与电流成正比，方向随电流方向而改变，电磁作用力克服弹簧力和负载力，使线圈产生一个与控制电流成比例的位移；电流为零时，电磁力消失，弹簧力使负载回初始位置。

图6-21 永磁动圈式力电动机结构

1—动圈 2—永久磁铁 3—轭铁 4—永久磁铁产生的磁通ϕp

动圈式力电动机具有工作行程大，气隙中磁感应强度恒定，因而，电流—力—位移特性的线性好，制作容易，价廉；但尺寸和惯量较大，因而动圈、负载和弹簧组件的谐振较低，一般低于100Hz。

空载时力电动机的输出电磁力与复位弹簧力平衡，若复位弹簧刚度为k_a，动圈的位移为x，则

可见，动圈式力电动机的输出位移x取决于K_t/k_a比值，又称为放大系数或灵敏度。

力电动机前边总有直流放大器，直流放大器的输出电压e就是力电动机的输入量。电压e加在可动线圈上后在线圈中产生电流i，并引起电压降i（r_c+r_a），其中r_a为直流放大器内阻，r_c为控制线圈的电阻。电流i有变化时，在控制线圈中会产生自感电动势，由于有漏磁通，控制线圈中由控制电流所产生的控制磁通Φ_c并不会全部穿过每一匝线圈，所以认为线圈的等效匝数是原匝数W的一半。故自感电动势可写成

式中 L_c——线圈自感系数。

因为

式中 R₀——气隙磁阻。

代入上式中即得

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当控制线圈在固定的磁场中运动时，又会产生反电动势

式中 K_d——反电动势常数。

显然

K_d=πDBN （6-41）

因此，线圈的电路方程为

线圈运动方程为

式中 m——和线圈等一起运动的部件的质量；

β——粘性摩擦系数；

F_L——负载力。

将式（6-38）、式（6-42）、式（6-43）三个基本方程拉氏变换后，可得动圈式力电动机的结构框图如图6-22。

图6-22 动圈式力电动机结构框图

图中惯性环节的转折频率ω_a，振荡环节固有频率ω₀及阻尼系数ζ₀为

通常ω_a远大于ω₀，转折频率为ω_a的惯性环节可以省去，则动圈式力电动机的传递函数为

式中 K₀——力电动机增益，且有

动圈式力电动机线性好，位移大，但是正是由于由于位移量大，复位弹簧刚度k_a必然较小，再加上可动线圈的质量也较大，与动铁式力电动机，如比例电磁铁相比，其固有频率较低，频带较窄，适应于工作频率要求不高的场合。反电动势常数K_d及放大系数K₀起阻尼作用。K_d增加可有效增大阻尼，因此增加线圈匝数N、线圈直径D及磁感应强度B都对稳定性有利。